CALPUFF模式用于放射性核素不同尺度的迁移扩散研究

摘要

放射性核素在大气中的迁移扩散问题，在核事故应急响应、突发事件应急响应、裂变材料生产、核厂址风险评价、禁核实验的源项估算等领域都倍受关注。从1986年的切尔诺贝利核事故到2011年的日本福岛核泄露事故，放射性核素迁移扩散的研究经历了数十年的发展，无论是模式理论还是模拟技术都有了很大进步。放射性核素迁移扩散研究最主要的应用是核事故的应急响应，美国和欧洲等研究机构在这方面都有自己成熟的不同尺度的模式及体系，但是我国在这方面的研究还很不足，尤其是在事故情况下对污染水平的应急预测，以及事故后短期的实时模拟计算。为了满足我国核能发展和辐射环境影响评价的需求，本文在调研文献的基础上，总结了放射性核素迁移扩散模式的研究方法，对新的模拟技术如集合分析等进行了分析研究，并利用现有资源进行模拟计算，开展了放射性核素迁移扩散的研究。
　　 本文调研了放射性核素的迁移扩散模式的发展状况，对现有的模式及其应用作了综述，在研究现有模式的基础上，选择拉格朗日烟团模式CALPUFF作为本论文关于放射性核素不同距离迁移扩散研究的工具。CALPUFF是美国EPA推荐模式，有成熟的理论基础和长期的跟踪改进及验证研究，是一个成熟的应用模式。CALPUFF模式可运用于复杂地形，非稳态的流场，在长距离情况下可以矫正地形对流场的影响，而且在扩散计算时可以根据具体流场特点选择积分方式和扩散参数计算方法。CALPUFF的计算区域可以从几十米到上千公里，从局地尺度到区域尺度，对于模拟突发核事故情况下的短期及长期扩散非常适合。CALPUFF系统由于针对的是非放物质所以不能用于放射性核素的模拟计算，本文的工作即是在CALPUFF的基础上，进行进一步的开发，在烟团模式的基础上加入了对放射性核素的放射性衰减的模拟计算、加入放射性核素的干湿沉积参数、并建立了事故情况下的剂量估算模式，使CALPUFF能用于核事故情况下的估算分析。在核事故模拟计算中，从事故的初始释放，到事故的持续几十小时的释放，事故释放的各个空间尺度及各时间范围都很关健。为了研究事故释放的各时间、空间范围的迁移扩散特征，本论文进行了不同距离范围的模拟，从近距离20公里到200-300公里及上千公里的应用研究，并分别进行验证分析。本研究主要包括五个部分：
　　 ㈠在对扩散模式进行调研的基础上，选择拉格朗日烟团模式CALPUFF作为研究的基础，对现有的烟团模式进行改进。⑴在CALPUFF模式中加入关于核素的放射性衰减计算模型，并加入有关核素的干湿沉积计算参数。⑵建立剂量模型，计算在事故应急情况下的有效外照射剂量及吸入内照射剂量，为应急决策提供重要的数据支持。
　　 ㈡在事故初期，最关心的问题是近距离内放射性核素的分布水平，以决定撤离范围及响应的水平。为了研究事故初始释放特征，开展了近场复杂地形的示踪实验研究，并同时用CALPUFF模式进行模拟计算，通过现场监测数据与模式结果的对比，研究了复杂地形近距离扩散的特征，并说明CALPUFF模式在近距离短期释放的模拟计算结果较好，但也存在一定问题：⑴从现场实验数据看，对于事故初期的高架源近距离扩散，当风速较小时，地形影响较大，当风速较大时，地形影响减小，地面最高浓度值一般在1-3公里范围。浓度和风向摆动相关，当风向较稳定时，地面浓度分布窄，浓度值较高，当风向摆动时，地面浓度分布较宽，浓度值趋于平均，浓度降低。水平浓度分布并非标准高斯分布，在采样点浓度轴线两边的边缘浓度有异常增高现象。⑵模式结果与实验数据相比，模式的浓度分布呈标准高斯分布没有反映出实测数据的异常值，在模拟计算时，计算了几种扩散计算方法：选择了不同的扩散参数计算方法：P-G法和相似理论(Similarity)计算方法和不同的积分取样方式：烟团模式(PUFF)和烟片模式(SLUG)，进行了四种方式的模拟计算：PUFF+P-G、PUFF+Similarity、SLUG+P-G、SLU+Similarity。实验结果说明在实验条件下，PUFF+P-G有较好的模拟结果，偏差为-13.82ug m3 H-1，均方根为3.02 ug m3 H-1，FA2和FA5分别为27.06％和61.41％，FOEX为-25.91％。选择了不同的积分取样方式即烟片取样函数和烟团取样函数，结果比较说明烟片取样函数更能反应近距离、短时间的Causalityeffects(因果效应)，在事故情况的初始阶段能更好的模拟污染物的扩散。计算了实验数据以MESOPUFFⅡ的扩散参数形式拟合的扩散参数，并与模式PG方法(MESOPUFFⅡ)扩散参数比较，说明模式参数与实验数据存在差异，并影响最后浓度结果。四种方式的模拟对比说明CALPUFF模式对初始释放近距离的模拟存在一定问题，预测结果偏低，不能很好的预测峰值，但是在应急情况下，模式结果有一定的指导意义。
　　 ㈢为了研究放射性核素在中尺度的迁移扩散，用开发的CALPUFF-R模式对日本福岛核事故进行了400×400公里的模拟计算(以源为模拟中心，半径200公里)，并与可获得的监测数据进行了对比。结果说明模式可以准确预测放射性烟团的分布，在距源128公里和140公里的两个城市点对点数据吻合较好，时间序列也相对应。在近距离30-60公里8个方位的计算中，与可获得的监测数据对比显示，近距离数据差别在一个数量级以内，但是在核素沉积的西北方向，模式未计算出相应的高浓度。用剂量模型计算了特定核素I-131和Cs-137在事故情况下累计外照射有效剂量，并与监测数据相对比，结果低于监测数据。由于缺少降水的准确数据，模式未能准确计算湿沉积通量，因而由地面沉积通量和空气浓度计算的烟云浸没外照射剂量小于监测数据，但是模式结果还是认为比较理想的。为了进一步验证模式中尺度扩散模拟效果，选择了非放惰性物质计算了太原地区PM10的扩散。
　　 ㈣为了研究放射性核素在长距离的迁移扩散，用CALPUFF模式对ETEX-1实验进行了长距离扩散模拟计算。放射性核素的迁移扩散对环境的影响，在时间空间尺度上一般都比较大，所以用于模拟放射性物质的模式一般都是长距离模式。本文选择ETEX-1实验数据进行上千公里的迁移扩散研究，研究CALPUFF模式在长距离条件下的模拟计算结果。结果显示CALPUFF模式可以正确预测放射性烟云的迁移方向，但是模拟浓度范围小于实验数据的覆盖范围，模拟浓度低于实验数据，模式结果与实验数据对比统计参数FOEX为-29.23％，FA2为1.41％，FA5为6.17％，NMSE为193.12％。
　　 ㈤对于放射性核素在大气中的迁移扩散，模式研究和模式验证同等重要，对于长距离的模式研究，模式验证存在很大的困难。本文在研究大气迁移模式评价研究ATMES(Atmospheric Trans port ModelEvaluation Study)计划的基础上，根据ATMES统计理论分析了模式验证的基本统计参数及代表的模式特征，并在模式验证中进行了计算评估。在放射性核素的不同尺度的迁移扩散研究中，近距离的研究工作比较全面丰富，无论是理论研究还是现场实验研究都有大量的文献报道，近距离的模式验证也易于进行，很多成熟的模式已经运用于核事故的应急响应，但是在长距离扩散模式研究中，模式的验证是一个非常困难的部分。对于现场实验，超过50公里的实验已经需要复杂的条件才能进行，对于上百公里和上千公里的野外现场实验难度及不确定性非常大。而外场实验是模式验证的最基本方法，所获得的数据能真实地反应实际大气对污染物的输送、扩散能力，可以用来验证理论模型的正确性，是模式研究的基础。任何模式只有经过有效性验证分析，才能用于实际应用，即使是一个成熟模式如CALPUFF模式，也必须注意模式的适用条件和范围。实际大气是一个高度复杂的系统，其中的各种过程几乎都是不可重复的，在一些大气环境下，模式有好的模拟结果，但是如果条件变化，可能结果会不同。